名称：一种适用于流体动力人形机器人关节摆动的流量和流向控制系统

专利人：梁勇智

专利号：202311732602.1

技术领域

本发明涉及阀门控制领域，尤其涉及一种适用于流体动力人形机器人关节摆动的流量和流向控制系统。

背景技术

现在人形机器人多采用电力驱动。东方财富网《全国专业护理员仅20万人养老护理人才加速定制中》提出2020年4月28日囯家卫健委预计到2020年全国失能/半失能老人将达6500万，若按照失能老人与护理员5:1配置标准推算，我国至少需要1300万名护理员。如果采用人形机器人替代护理员工作，则电力驱动的仿人形机器人存在力量不足的缺陷。《PLC步进与伺服从入门到精通》(作者：岂兴明，2019年5月人民邮政出版社出版)中，步进电动机转子单位体积的饱和转矩值，简称单位体积转矩，不管是大电动机，还是小电动机，这个值接近于常数，均在0.5×10-3Nm/cm3；《电磁装置设计原理》(李朗如、陈乔夫、周理兵编著，2017年10月中国电力出版社出版)，提出当B(磁通密度)达到一定值后，如材料B＝f(H)的曲线的“拐点”，致使H(磁场强度)值的增长明显地比B值快，势必引起励磁电流分量增加，从而使绕组铜损耗(欧姆损耗)增加，尤其是对于旋转电机，Bδ(气隙磁密(磁通密度)最大值)的提高，必然使气隙磁动势增加，励磁功率与损耗增加；铁心内的磁密增大会导致铁心损耗的增加，装置的效率也会降；基于以上分析，现有电力驱动的人形机器人力量受单位体积转矩限制；例如，特斯拉公司近期制造的人形机器人擎天柱，身高1.72m，重量57kg，负重20kg(手臂附加5kg)，行动速度最高可达8km/h，显然，这台由著名跨国公司生产的机器人不能胜任护理员工作。

采用流体动力(包括气压动力和液压动力)，流体推力是流体压力与受压面积的乘积，因此，可以实现小的动力装置提供较大力量的设想。人体各关节运动均为摆动运动，此时，可以采用实用新型专利号2023215088185，一种适用于摆动运动的旋转流量控制阀来控制流体运动方向和流量大小。

该实用新型公开了一种可同时控制流体的流量和流向的旋转流量控制阀，主要由阀体、阀芯、以及与阀芯连接的微型步进电机组成。该旋转流量控制阀根据气压摆动运动的气动机一般由二个气缸构成，且二个气缸具有联动关系的特点，在阀体上分别设有二道进气口、出气口和排气口，旋转阀芯相应位置上设有的二道Y形流体通道，结合旋转步进电机控制某道Y形流体通道口旋转位置，来实现旋转流量控制阀向气动机输送流体或快速排出流体功能。

旋转流量控制阀运用旋转步进电机控制旋转阀芯转动角度的方法，来实现流体的流量和流向控制，需要步进电机控制系统配套使用，才能实现控制流体的流量和流向的目的。该实用新型专利号2023215088185没有提供旋转步进电机控制技术成果。

旋转步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件。电动机的转速和停止位置取决于脉冲信号的频率、脉冲数和初始位置。当给电动机加一个脉冲信号，电动机就转过一个步进角，而不受负载变化影响。

按照步进电机转子结构的不同，步进电机可分为反应式、永磁式和混合式三类。永磁式和混合式步进电动机具有定位转矩，断电后，转子上的永磁体产生的磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，使转子处于一种稳定状态；反应式步进电机的转子因没有永磁体，故没有定位转矩。

步进电机受控旋转系统由电源、电机、驱动器、控制器构成。驱动器是将电脉冲转化为角位移的执行机构，驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号，通过其内部的逻辑电路，控制步进电机的绕组以一定的时序正向或反向通电，使得电动机正向旋转或反向旋转或者锁定。控制器是将控制指令转化为能够为驱动器接受的步进电机正转、反转、转速和停止转动指令的设备。为了确定转子转动位置，可采用旋转角度位置传感器来测量确定转子上某点的旋转位置。

发明内容

控制人形机器人流体动力各关节的运动力、运动方向和运动幅度是通过控制各关节流体动力的方向和流量实现的，本发明运用旋转流量控制阀技术，通过控制旋转流量控制阀的步进电机的旋转方向和角度，实现流体动力人形机器人关节摆动的流量和流向控制。

本发明采用以下技术方案实现：一种适用于流体动力人形机器人关节摆动的流量和流向控制系统，包括：

旋转流量控制阀的步进电机采用永磁式或混合式二种，具有定位转矩；以及

所述步进电机与驱动器、单片机控制器配套相连，步进电机向人形机器人计算机控制中心反馈步进电机的电源信息；以及

旋转角度位置传感器中间的D形孔嵌套在步进电机转轴上，步进电机外壳和旋转角度位置传感器外壳固定在同一块固定板上，旋转角度位置传感器的D形孔可以旋转，通电后，旋转角度位置传感器根据D形孔旋转位置发出不同的电信号；以及

所述单片机控制器接收人形机器人计算机控制中心发送的步进电机旋转角度位置指令，并向人形机器人计算机控制中心反馈角度、延时、控制器电源和故障信息，单片机控制器依据人形机器人计算机控制中心的指令数据，以及单片机控制器存储的角度位置数据，计算确定步进电机正转角度、或反转角度、或停止转动，然后采用有限循环或条件循环程序，提供正转一步、或反转一步、或停止转动成果给驱动器，步进电机根据驱动器收到的成果执行旋转动作；以及

所述单片机控制器接收旋转角度位置信号装置发送的角度位置数据信息，单片机控制器将旋转角度位置信号装置发送的角度位置数据与单片机控制器计算的角度位置数值进行比较，当二者的误差在允许范围时，单片机控制器以计算的角度位置数值为准，进行计算分析，当二者的误差超过允许范围时，单片机控制器向人形机器人计算机控制中心反馈该信息；以及

所述旋转角度位置信号装置由旋转角度位置传感器、模拟数字转换器和电源组成，旋转角度位置信号装置向人形机器人计算机控制中心反馈电源信息；以及

所述人形机器人计算机控制中心是人形机器人的大脑，其依据指令和信息，经计算、分析、判断后，向单片机控制器传送步进电机旋转角度位置指令；以及

旋转流量控制阀阀体上的同一截面的三个开口，其中开口D中心和开口F中心与轴心的连线所形成的夹角，小于90度，开口E中心和开口D中心，以及开口E中心和开口F中心与轴心的连线所形成的夹角均大于90度；以及

旋转流量控制阀阀芯上Y形流体通道的出口B中心和出口A中心，出口B中心和出口C中心与轴心的连线所形成的夹角均大于90度，出口A中心和出口C中心与轴心的连线的夹角小于90度；以及

所述步进电机转动的角度范围是出口B中心在开口D中心和开口F中心之间摆动；以及

当出口B中心与开口D中心重合时，开口D与开口E连通，且流量最大，开口E与开口F之间的通道关闭；以及

当出口B中心与开口F中心重合时，开口F与开口E连通，且流量最大，开口E与开口D之间的通道关闭；以及

当出口B中心位于开口D与开口F之间的中间位置时，开口D、开口E和开口F之间的通道均关闭。

作为上述方案的进一步改进，所述单片机控制器程序包括：

所述单片机控制器存储出口B中心位于开口D和开口F之间的中点位置的旋转角度位置数据、开口D与开口E连通且流量最小时的出口B中心位置的旋转角度位置数据、开口D与开口E连通且流量最大时的出口B中心位置的旋转角度位置数据、开口F与开口E连通且流量最小时的出口B中心位置的旋转角度位置数据、开口F与开口E连通且流量最大时的出口B中心位置的旋转角度位置数据；以及

开口D与开口E连通，从流量最小到流量最大之间分为N级，其中一级的流量最小，二级的流量较一级大，N级的流量最大；以及

开口F与开口E连通，从流量最小到流量最大之间分为M级，其中一级的流量最小，二级的流量较一级大，M级的流量最大；以及

所述单片机控制器接收人形机器人计算机控制中心发送的步进电机旋转角度位置指令，具体为开口D和开口F均关闭指令、或开口D与开口E连通为某级指令、或开口F与开口E连通为某级指令。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1.本技术与实用新型专利号2023215088185，一种适用于摆动运动的旋转流量控制阀相结合，可以实现流体动力人形机器人关节摆动的流量和流向控制，这比现有流体动力摆动机械的流量和流向控制系统简单。

附图说明

图1为本发明适用于流体动力人形机器人关节摆动的流量和流向控制系统示意图；

图2为本发明旋转角度位置传感器平面位置示意图；

图3为本发明旋转角度位置传感器立面位置示意图；

图4为本发明出口B中心位于开口D与开口F之间的中间位置示意图；

图5为本发明开口D与开口E连通流量最小时出口B中心位置示意图；

图6为本发明开口D与开口E连通流量最大时出口B中心位置示意图；

图7为本发明开口F与开口E连通流量最小时出口B中心位置示意图；

图8为本发明开口F与开口E连通流量最大时出口B中心位置示意图；

主要符号说明：1步进电机、2固定板、3步进电机转轴、4旋转角度位置传感器、5旋转流量控制阀阀体、6旋转流量控制阀阀芯、7开口D、8开口E、9开口F、10轴心、11出口A、12出口B、13出口C、14出口B中心线。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1：

请结合图1-8，本实施例的一种适用于流体动力人形机器人关节摆动的流量和流向控制系统，包括：

旋转流量控制阀的步进电机1采用永磁式或混合式二种，具有定位转矩；以及

所述步进电机1与驱动器、单片机控制器配套相连，步进电机1向人形机器人计算机控制中心反馈步进电机1的电源信息；以及

旋转角度位置传感器4中间的D形孔嵌套在步进电机转轴3上，步进电机1外壳和旋转角度位置传感器4外壳固定在同一块固定板2上，旋转角度位置传感器4的D形孔可以旋转，通电后，旋转角度位置传感器4根据D形孔旋转位置发出不同的电信号；以及

所述单片机控制器接收人形机器人计算机控制中心发送的步进电机1旋转角度位置指令，并向人形机器人计算机控制中心反馈角度、延时、控制器电源和故障信息，单片机控制器依据人形机器人计算机控制中心的指令数据，以及单片机控制器存储的角度位置数据，计算确定步进电机1正转角度、或反转角度、或停止转动，然后采用有限循环或条件循环程序，提供正转一步、或反转一步、或停止转动成果给驱动器，步进电机1根据驱动器收到的成果执行旋转动作；以及

所述单片机控制器接收旋转角度位置信号装置发送的角度位置数据信息，单片机控制器将旋转角度位置信号装置发送的角度位置数据与单片机控制器计算的角度位置数值进行比较，当二者的误差在允许范围时，单片机控制器以计算的角度位置数值为准，进行计算分析，当二者的误差超过允许范围时，单片机控制器向人形机器人计算机控制中心反馈该信息；以及

所述旋转角度位置信号装置由旋转角度位置传感器4、模拟数字转换器和电源组成，旋转角度位置信号装置向人形机器人计算机控制中心反馈电源信息；以及

所述人形机器人计算机控制中心是人形机器人的大脑，其依据指令和信息，经计算、分析、判断后，向单片机控制器传送步进电机1旋转角度位置指令；以及

旋转流量控制阀阀体5上的同一截面的三个开口，其中开口D7中心和开口F9中心与轴心10的连线所形成的夹角，小于90度，开口E8中心和开口D7中心，以及开口E8中心和开口F9中心与轴心10的连线所形成的夹角均大于90度；以及

旋转流量控制阀阀芯6上Y形流体通道的出口B12中心和出口A11中心，出口B12中心和出口C13中心与轴心10的连线所形成的夹角均大于90度，出口A11中心和出口C13中心与轴心10的连线的夹角小于90度；以及

所述步进电机1转动的角度范围是出口B12中心在开口D7中心和开口F9中心之间摆动；以及

当出口B12中心与开口D7中心重合时，开口D7与开口E8连通，且流量最大，开口E8与开口F9之间的通道关闭；以及

当出口B12中心与开口F9中心重合时，开口F9与开口E8连通，且流量最大，开口E8与开口D7之间的通道关闭；以及

当出口B12中心位于开口D7与开口F9之间的中间位置时，开口D7、开口E8和开口F9之间的通道均关闭。

请结合图1-8，所述单片机控制器程序包括：

所述单片机控制器存储出口B12中心位于开口D7和开口F9之间的中点位置的旋转角度位置数据、开口D7与开口E8连通且流量最小时的出口B12中心位置的旋转角度位置数据、开口D7与开口E8连通且流量最大时的出口B12中心位置的旋转角度位置数据、开口F9与开口E8连通且流量最小时的出口B12中心位置的旋转角度位置数据、开口F9与开口E8连通且流量最大时的出口B12中心位置的旋转角度位置数据；以及

开口D7与开口E8连通，从流量最小到流量最大之间分为N级，其中一级的流量最小，二级的流量较一级大，N级的流量最大；以及

开口F9与开口E8连通，从流量最小到流量最大之间分为M级，其中一级的流量最小，二级的流量较一级大，M级的流量最大；以及

所述单片机控制器接收人形机器人计算机控制中心发送的步进电机旋转角度位置指令，具体为开口D7和开口F9均关闭指令、或开口D7与开口E8连通为某级指令、或开口F9与开口E8连通为某级指令。

本申请实施例中一种适用于流体动力人形机器人关节摆动的流量和流向控制系统的实施原理为：

本发明采用包括单片机控制器控制驱动器技术，旋转角度位置传感器4与模拟数字转换器相结合技术，计算机控制技术，这些技术已经广泛运用于制造业，以及机器人领域，广泛运用和成熟的技术是本发明实施的基础。

步进电机转轴3与旋转流量控制阀阀芯6固定，使旋转流量控制阀阀芯6转动与步进电机转轴3转动同步。为了防止步进电机转轴3断电后摆动，所述步进电机1采用永磁式或混合式二种，具有定位转矩。步进电机1与驱动器、单片机控制器配套相连，提供了控制步进电机旋转的硬件。为了及时发现步进电机旋转“丢步”故障，采用步进电机配套旋转角度位置传感器4，并经模拟数字转换器，向单片机控制器实时发送步进电机旋转角度位置数据，用于单片机控制器进行旋转角度位置计算成果校对，实现闭环控制。

为了人形机器人计算机控制中心及时掌握本系统工作状态，及时发现和处理本系统故障，系统实时反馈步进电机1、单片机控制器、旋转角度位置信号装置的电源信息，以及单片机控制器的故障信息、部分参数和成果。

利用旋转流量控制阀三个开口位置关系和三个出口位置关系的特点，将步进电机转轴3的旋转位置角度范围控制在出口B12中心(出气口B中心线14)在开口D7中心和开口F9中心之间摆动，缩小了步进电机转轴3的旋转范围，流体通道的旋转位置变化符合摆动关节的运动特点，有利于简化步进电机1的控制程序。

利用步进电机每次转动一步，并可在转动到某步时停止转动的特点，将开口D7与开口E8连通，从流量最小到流量最大之间分为N级，以及开口F9与开口E8连通，从流量最小到流量最大之间分为M级，这能够精确控制流量的变化。

人形机器人计算机控制中心向单片机控制器传送的指令，具体为开口D7和开口F9均关闭指令(出口B12中心位于开口D7与开口F9之间的中间位置)、或开口D7与开口E8连通为某级指令、或开口F9与开口E8连通为某级指令，这些指令使单片机控制器能够找到一个对应的角度位置数据。

单片机控制器存储流量变化特征点位置的旋转角度位置数据，包括出口B12中心位于开口D7和开口F9之间的中点位置的旋转角度位置数据、开口D7与开口E8连通且流量最小时的出口B12中心位置的旋转角度位置数据、开口D7与开口E8连通且流量最大时的出口B12中心位置的旋转角度位置数据、开口F9与开口E8连通且流量最小时的出口B12中心位置的旋转角度位置数据、开口F9与开口E8连通且流量最大时的出口B12中心位置的旋转角度位置数据，为旋转角度位置计算提供了重要参数。

由人形机器人计算机控制中心提供的开口D7和开口F9均关闭指令、或开口D7与开口E8连通为某级指令、或开口F9与开口E8连通为某级指令，以及单片机控制器存储的角度位置数据，单片机控制器就可以计算确定步进电机1正转角度、或反转角度、或停止转动，然后采用有限循环或条件循环程序，提供正转一步、或反转一步、或停止转动成果给驱动器，步进电机1根据驱动器收到的成果执行旋转动作，完成本系统任务。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。